Учебно-методический комплекс по дисциплине «электротехнические материалы»

5- Модуль. Основные понятие о проводниковых материалов
Тема №13.Проводниковые материалы. Разные материалы
План занятия

1. 
   Проводниковые материалы
   
2. 
   Разные материалы
   

Опорные слова и термины
Газы и пары, жидкие проводники, твёрдые проводники, удельная проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления
Проводниковые материалы различают по агрегатному состоянию:
– газы и пары;
– жидкие проводники;
– твёрдые проводники.
Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Е_кр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.
Среди твёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:
а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,05 . Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п.;
б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре ρ ≥ 0,3 . Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.
Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.
Проводниковые материалы по носителям заряда можно разбить на два рода. У проводников первого рода ток обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля. К ним относятся металлы как в твёрдом, так и жидком состоянии.
У проводников второго рода прохождение тока связано с движением ионов и выделением их на электродах. К проводникам второго рода относятся электролиты и расплавленные ионные кристаллы.
Основные свойства проводниковых материалов
Удельная проводимость γ (обратная величина – удельное сопротивление ρ). Запишем дифференциальную форму закона Ома:
J = γ·Е,
где J – плотность тока, А/м²; γ – удельная проводимость, См/м; Е – напряжённость электрического поля, В/м.
Удельная проводимость металлов не зависит от напряжённости электрического поля в весьма широких пределах. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением ρ = 1/γ и измеряется в . Диапазон значений удельных сопротивлений достаточно узок. У чистых металлов: серебро – 1,6·10^-8 , медь – 1,72·10^-8 , алюминий – 2,8·10^-8 , а у сплавов до 1 000 . Причем чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления. Примеси, искажая решётку, приводят к увеличению удельного сопротивления.
Температурный коэффициент удельного сопротивления. С ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении температуры усиливаются колебания кристаллической решётки металла и у электронов возникает всё больше и больше препятствий на пути. Изменение удельного сопротивления можно характеризовать температурным коэффициентом:
ТК_ρ = α_ρ = .
Значения α_ρ для чистых металлов близки между собой и составляют α_ρ ≈ (3–5)·10^-3 К^-1. А у некоторых металлов он немного выше, в том числе у ферромагнитных (железо, никель, кобальт) – α_ρ ≈(6–6,5)·10^-3 К^-1.
При изменении температуры в узких диапазонах допустима кусочно-линейная аппроксимация:
ρ₂ = ρ₁·[1+α_ρ·(Т₂ – Т₁)],
где ρ₁ и ρ₂ – удельные сопротивления металла при температурах Т₁ и Т₂, причем Т₂ > Т₁.